音圈電機(jī)是一種不需要任何機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，就可以將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動機(jī)械能的直線電機(jī)。由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快、定位精度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，音圈電機(jī)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域。

　　音圈電機(jī)以其優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)和定位精度，使得磁盤存儲技術(shù)得到極大提升，隨著磁盤存儲容量的增加，對音圈電機(jī)的推力提出新的要求，并且由于音圈電機(jī)的優(yōu)秀性能，在激光、快速反射鏡、引線鍵合機(jī)等需要精密控制領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　音圈電機(jī)的有效氣隙較大導(dǎo)致氣隙磁通密度較低，進(jìn)而影響電機(jī)的推力，最初設(shè)計音圈電機(jī)首要考慮的是提高音圈電機(jī)的出力。由于增大電流會有損耗、散熱等問題，提高力常數(shù)的主要方法是增大氣隙磁通密度。

　　1磁路優(yōu)化

　　有學(xué)者對如圖1所示的傳統(tǒng)單極型、單面多級型和雙面多極型三種磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對比。在傳統(tǒng)單極型結(jié)構(gòu)中，由于一段磁軛的存在導(dǎo)致電機(jī)的左右磁路不對稱，容易產(chǎn)生偏心問題。采用差動式結(jié)構(gòu)，減小繞組電感和電樞反應(yīng)，抑制不平衡推力。

　　采用多級型磁極結(jié)構(gòu)不僅能夠改善偏心問題，在相同體積和永磁材料下，多面多級型磁極結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上提高氣隙磁通密度，改善電機(jī)推力。但是由于電機(jī)磁軛底部的飽和問題，增加徑向充磁磁鋼厚度，氣隙磁通密度不是呈線性提升，且磁通密度提升有限，永磁體利用率較低。

　　有學(xué)者提出在音圈電機(jī)中采用軸向充磁結(jié)構(gòu)，如圖2所示，推導(dǎo)出軸向充磁圓筒形永磁動圈式直線電機(jī)的氣隙磁場解析計算公式，將徑向充磁與軸向充磁分析比對，證明了在采用相同永磁材料的前提下，軸向充磁能夠產(chǎn)生更高的磁通密度，具有明顯的聚磁效果。

　　有學(xué)者在采用軸向充磁的基礎(chǔ)上，在音圈電機(jī)的中央放置一個磁芯以增加徑向磁通，電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)使得內(nèi)外線圈有效地利用徑向磁通來產(chǎn)生軸向力，進(jìn)一步提高了電機(jī)的輸出力，使其能夠快速驅(qū)動大直徑的反射鏡。

　　有學(xué)者對非常規(guī)的磁極形狀和充磁方向的磁極結(jié)構(gòu)對氣隙磁通密度的影響進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用非常規(guī)方向充磁和非矩形的磁極結(jié)構(gòu)可能對氣隙磁通密度有著極大的改善，對于形狀不規(guī)則的磁極，其制造和加工燒結(jié)方式存在一定困難，故提出一種粘接式的磁極結(jié)構(gòu)。

　　有學(xué)者采用徑向軸向混合的磁極陣列，制作了一臺應(yīng)用于快速掃描鏡的集中通量式音圈電機(jī)，如圖4所示。該電機(jī)內(nèi)部中心有一個圓柱形磁體，中心外部有一環(huán)形磁體，有助于減小漏磁。

　　有學(xué)者針對圓筒形音圈電機(jī)的定子磁極充磁方向的不同，對氣隙磁通密度的影響進(jìn)行研究分析，并提出一種將多個非常規(guī)充磁方式的環(huán)形永磁體組合的定子結(jié)構(gòu)。其中，徑向充磁的磁極保證氣隙磁通密度的均勻性，上、下兩塊磁極保證氣隙磁通密度的幅值，通過調(diào)節(jié)3塊磁極的高度得到符合要求的氣隙磁通密度。

　　有學(xué)者將Halbach陣列應(yīng)用到音圈電機(jī)的設(shè)計，并與普通磁極陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，證明只有Halbach陣列能夠有效地改變氣隙磁通密度，增大幅值、減少波動，還能避免端部軛鐵的飽和問題。環(huán)形磁鋼充磁方向如圖5所示。

　　有學(xué)者對單片磁極和單線圈、普通磁極陣列和三線圈、Halbach磁極陣列和三線圈三種結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)進(jìn)行性能比較，采用Halbach磁極陣列和三線圈結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)具有最大的推力和最小的力矩波動，磁極結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用開槽的動圈支架，有助于抑制渦流損耗。從而制作出能夠應(yīng)用于納米精確定位裝置的音圈電機(jī)。

　　2音圈電機(jī)線圈優(yōu)化設(shè)計

　　音圈電機(jī)是無槽電機(jī)，音圈厚度不僅影響電機(jī)繞組的安培匝數(shù)，還影響氣隙磁通密度。而電機(jī)的輸出與這兩項的乘積成正比，因此存在一個使電機(jī)輸出最大化的最佳厚度。通過有限元優(yōu)化繞組厚度得到最優(yōu)的繞組結(jié)構(gòu)。

　　導(dǎo)線組成如圖7所示。有學(xué)者針對線圈材料對電機(jī)性能的影響進(jìn)行分析，在電機(jī)體積不變的前提下，分別采用銅鐵混合線和銅包鋁（Copper Clad Aluminum, CCA）線作為線圈，銅鐵混合線減小磁阻，增大氣隙磁通密度，在導(dǎo)線電阻相差不多的前提下，CCA線的質(zhì)量是銅線質(zhì)量的40%左右，降低了動子的質(zhì)量。有學(xué)者表明，在線圈體積一定的前提下，改變線圈匝數(shù)，不會改變推力。

　　3總結(jié)

　　提高音圈電機(jī)推力的優(yōu)化主要分為兩種：一種為磁路優(yōu)化，即采用多面多磁極結(jié)構(gòu)、聚磁磁極結(jié)構(gòu)和Halbach磁極結(jié)構(gòu)等磁極陣列，在相同的永磁材料用量下，提高氣隙磁通密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的大推力；另一種為線圈優(yōu)化，即采用銅鐵或銅鋁混合線，減小氣隙磁阻或動子質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)推力的提高，但會增大繞組損耗，故音圈電機(jī)高推力的研究主要集中在磁路優(yōu)化方面。